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Variations climatiques interannuelles à interdécennales dans le Pacifique Tropical telles qu’enregistrées par les traceurs géochimiques contenus dans les coraux massifs
Timothée Ourbak
To cite this version:
Timothée Ourbak. Variations climatiques interannuelles à interdécennales dans le Pacifique Tropical telles qu’enregistrées par les traceurs géochimiques contenus dans les coraux massifs. Milieux et Changements globaux. Université de Bordeaux 1, 2006. Français. �NNT : 3193�. �tel-01172163�
N° d’ordre : 3193
THESE
Présentée à
L’UNIVERSITE BORDEAUX I
Ecole Doctorale Sciences du Vivant, Géosciences, Sciences de l’Environnement
Par M
rTimothée OURBAK
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR
Spécialité : Océanographie/Paléocéanographie
Variations climatiques interannuelles à interdécennales dans le Pacifique Tropical telles qu’enregistrées par les traceurs géochimiques contenus dans les coraux massifs.
Soutenue le 10 Juillet 2006 Après avis de :
Mme. Catherine Jeandel, Directeur de Recherche CNRS, Université Toulouse. M. Gilles Reverdin, Directeur de Recherche CNRS, Université Paris
Devant la commission d’examen formée de :
M. Guy Cabioch, Directeur de Recherche IRD invité
M. Thierry Corrège, Directeur de Recherche IRD Co-directeur de thèse Mme. Mary Elliot, Lecturer, University of Edinburgh Examinateur
Mme. Catherine Jeandel, Directeur de Recherche CNRS, Rapporteur Université Toulouse
Mme. Anne Juillet-Leclerc, Directeur de Recherche CNRS, LSCE Examinateur
M. Bruno Malaizé, Maître de Conférence, Université Bordeaux 1 Co-directeur de thèse M. Jean Pierre Peypouquet, Professeur EPHE, Université Bordeaux 1 Directeur de thèse M. Gilles Reverdin, Directeur de Recherche CNRS, Université Paris Rapporteur
Travaux effectués en collaboration avec
L’INSTITUT DE RECHERCHE POUR LE DEVELOPPEMENT (IRD) L’ECOLE PRATIQUE DES HAUTES ETUDES (EPHE)
- 2006 -
Remerciements
La fin d’une très belle aventure et quelques lignes qui sont l’occasion de dire un grand Merci à pas mal de monde…
Je voudrais tout d’abord remercier Thierry Corrège, Bruno Malaizé et Jean-Pierre Peypouquet qui ont été depuis le Master les piliers des mes recherches. Qu’ils trouvent dans ces lignes mes sincères remerciements. Leur soutien, leurs encouragements et la chance qu’ils ont bien voulu me laisser à des moments où faire des choix peut s’avérer particulièrement difficile resteront gravés dans ma tête chercheuse. Merci donc pour votre patience face à mon impatience et pour les longues heures de travail durant toute cette aventure.
Thierry, les langoustes de Clipperton se souviennent encore de nos chasses. Bruno, les nombreuses évasions verbales vers les montagnes et les glaces d’ici ou d’ailleurs m’ont accompagné pendant ces dernières années… Jean-Pierre, un grand merci d’avoir bien voulu prendre la responsabilité de diriger cette thèse, et aussi de m’avoir permis dés le DEA de faire des coraux une passion qui dure… Je garde notamment des souvenirs impérissables des soirées sur le Marion Dufresne, en Méditerranée, dans l’Atlantique ou encore en Antarctique.
Je tiens également à remercier tout particulièrement les nombreux membres du jury.
En premier lieu Anne Juillet Leclerc, Madame corail, qui m’a fait l’honneur de présider le jury. Nos échanges de points de vue tout au long de ces 4 années de thèse ont été pour moi une source de remise en question permanente.
Mme Catherine Jeandel et Monsieur Gilles Reverdin ont accepté d’être rapporteurs de ce travail. Je les remercie grandement pour le temps et l’investissement fourni. Ils ont énormément contribué par leurs commentaires et remarques au manuscrit tel que vous l’avez sous les yeux.
Mary Elliot m’a fait le plaisir de venir d’Edinburgh afin d’assister à cette soutenance.
Là encore, qu’elle en soit remerciée, notamment pour ses analyses critiques.
Guy Cabioch m’a permis de travailler dans d’excellentes conditions au centre IRD de Nouméa. Il manquait une vision "sédimentologique" à mes recherches et de nombreuses remarques de sa part ont permis l’amélioration de nombreux points.
Je tiens également à remercier beaucoup de personnes qui ont permis l’aboutissement d’heures de manips et de réflexion. Que Florence Le Cornec, Karine Charlier, Isabelle Billy, Marta Garcia, Léocadie Jamet et Sandrine Caquineau croient en mes remerciements sincères.
Merci également à Jean Louis Turon, Xavier Crosta, Luc Ortlieb, Francis Grousset, Jacques Giraudeau, John Butscher, Boris Dewitte, Jacques Massia, Alexandre Ganachaud...
Cette thèse s’est effectuée au sein de différents laboratoires, notamment l’UMR 5805 EPOC de l’Université de Bordeaux 1 mais également l’équipe UR 055 Paleotropique de l’IRD, aux centres de Nouméa et de Bondy et je tiens à remercier les différentes personnes avec qui j’ai pu avoir des échanges tout au long de ses années. Egalement les équipes enseignantes de l’UFR Sciences de la Terre et de la Mer pour leurs aides/conseils durant les années de monitorat et d’ATER.
Un clin d’œil particulier aux hordes de thésards (« Guess this collectivity of animals ») qui font la vie des labos, à Nouméa, à Bondy et à Bordeaux où j’ai passé le plus clair de mon temps. Merci donc, pour votre soutien, vos encouragements ou même votre présence, les cafés, les bières, les séances de squash et de course, le surf, les teufs et les voyages à, dans le désordre, Fred, Stéphane, Franck, Matthieu, Vincent et Vincent, Elsa, Manue, Jonathan, Marc-Vincent, Bobo, Julie et la next generation, ainsi que Benoît, Marion, Gugga…
Il en reste plein d’autres…
Voila, ces dernières lignes sont également pour que soient remerciés mes parents voyageurs sans qui les coraux et cet amour de l’océan ne seraient pas dans ma vie à l’heure actuelle.
Marion a partagé 4 années avec un thésard, j’imagine que c’est sympa au début et très très pénible sur la fin…Keep on moving sœurette…
Enfin, Mélo, on part maintenant ensemble de l’autre côté de l’Atlantique pour continuer à construire de belles choses tous les deux. Merci de ton soutien sans faille.
MERCI
Une petite parenthèse pour citer Paul Emile Victor:
Don’t say : “This is the truth”
Say: “Here are the things as I think I see the things I think I see”
Paul Emile Victor, Dialogue à une voix
Table des Matières
REMERCIEMENTS ... 3
TABLE DES MATIERES... 5
TABLE DES FIGURES ... 9
PREAMBULE, NOTE A L’INTENTION DES LECTEURS ... 13
INTRODUCTION ... 15
CHAPITRE 1 . PROBLEMATIQUE GENERALE DE L’ETUDE ... 20
1.1. La climatologie et la paléoclimatologie... 20
1.1.a. Climat, bilan radiatif et effet de serre ... 20
1.1.b. A l’échelle des temps géologiques ... 21
1.1.c. A l’échelle humaine... 22
1.2. Contexte climatique du Pacifique ... 25
1.2.a. Climatologie générale dans l’océan Pacifique ... 25
i. Conditions atmosphériques moyennes ... 25
ii. Conditions océaniques moyennes... 28
iii. Situation moyenne aux basses latitudes ... 29
1.2.b. Variations interannuelles : le phénomène ENSO (El Niño Southern Oscillation)... 30
i. El Niño ... 31
ii. La Niña... 34
iii. Répercussions mondiales ... 34
iv. Théories oscillatoires expliquant ENSO... 35
1.2.c. Variations interdécennales de type PDO (Pacific Decadal Oscillation) ... 38
i. Origine extratropicale et téléconnections atmosphériques ... 40
ii. Origine intertropicale ... 41
iii. Interactions entre basses latitudes (tropiques) et extra tropiques ... 42
1.2.d. Autres phénomènes climatiques ... 42
1.3. Zones d’Etudes ... 44
1.3.a. Présentation de la Nouvelle-Calédonie... 46
i. La Nouvelle-Calédonie : histoire, géographie et géologie... 46
ii. Présentation des sites d’étude néo calédoniens ... 47
Le site de Uitoé ... 49
Le site de l’île des Pins ... 49
iii. Synthèse ... 50
1.3.b. Présentation de l’île de Wallis ... 53
i. L’île de Wallis : histoire, géographie et géologie ... 53
ii. Climatologie ... 54
1.3.c. Deux zones contrastées... 57
1.4. Synthèse du Chapitre 1 ... 59
CHAPITRE 2 . ETAT DE L’ART, MATERIEL ET METHODES ... 62
2.1. Les coraux : triple identité... 62
2.2. Matériel corallien étudié... 65
2.2.a. Description ... 65
i. Carotte de Uitoé... 65
ii. Carottes de l’île des Pins ... 66
iii. Carottes de Wallis ... 66
2.2.b. Présentation du micro échantillonnage et choix de la résolution d’échantillonnage ... 67
i. Présentation du micro échantillonnage ... 67
ii. Choix de la résolution d’échantillonnage ... 69
Choix de la série de température... 69
Description des données ... 69
Méthode de filtrage ... 70
iii. Application aux analyses géochimiques... 74
2.2.c. Obtention d’une chronologie relative ... 76
i. Comptage des bandes de croissance ... 77
ii. SCOPIX... 79
iii. Technique de datation radiométrique : l’U/Th ... 80
iv. Chronologie isotopique corallienne ... 80
2.3. Analyses géochimiques... 81
2.3.a. Mesures élémentaires ... 81
i. Les éléments traces sur les carottes de Nouvelle-Calédonie ... 81
ii. Les éléments traces sur les carottes de l’île de Wallis ... 82
iii. Procédures analytiques et qualité des données ... 82
2.3.b. Les Isotopes Stables ... 84
i. Procédure analytique et qualité des données ... 85
2.3.c. Choix des éléments mesurés dans chaque carotte... 85
2.4. Quels renseignements deduit on des analyses géochimiques des coraux ? ... 86
2.4.a. SST (Sea Surface Temperature) ... 86
i. Le paléothemomètre δ18O... 86
Le cycle marin des isotopes de l’Oxygène... 87
Incorporation des isotopes lors de la squelettogenèse corallienne ... 88
ii. Les éléments trace ... 90
iii. Limites d’interprétation des méthodes de reconstruction des SST, notamment via le rapport Sr/Ca... 92
2.4.b. SSS (Sea Surface Salinity) ... 93
i. ENSO et la salinité ... 94
ii. La quête des paléosalinités en paléoclimatologie ... 95
iii. Limites d’interprétation des reconstructions des SSS ... 99
2.4.c. D’autres traceurs, d’autres applications... 100
i. Le rapport Ba/Ca ... 100
ii. Les Isotopes du Carbone ... 100
iii. Autres traceurs ... 101
iv. Informations « non géochimiques » ... 102
2.5. Limites des méthodes :... 103
i. Contrôle biologique de la calcification... 103
ii. Diagenèse ... 103
iii. Hiatus d’enregistrement, maladies coralliennes ... 107
2.6. Synthèse du Chapitre 2 ... 109
CHAPITRE 3 . CALIBRATION DES TRACEURS GEOCHIMIQUES ... 112
3.1. Calibration très haute résolution : relation entre proxies géochimiques et paramètres environnementaux... 112
3.1.a. Présentation et synthèse de l’article... 112
3.1.b. Article “A high resolution investigation of temperature, salinity and upwelling activity proxies in corals” publié le 29 Mars 2006 dans Geochemistry, Geosphysics, Geosystems... 114
3.2. Calibrations haute résolution à Wallis et l’Île des Pins et leurs applications sur le dernier siècle... 128
3.2.a. Présentation et synthèse de l’article... 128
3.2.b. Article “ENSO and interdecadal variability over the last century documented by geochemical records of two coral cores from the South West Pacific. Publié le 9 Janvier 2006 dans Advances in Geosciences... 129
3.3. Synthèse du Chapitre 3 ... 135
CHAPITRE 4 . CINQ SIECLES D’ENREGISTREMENTS CLIMATIQUES A L’ILE DES PINS, NOUVELLE-CALEDONIE. ... 138
4.1. Cinq siécles de reconstitutions des températures et des salinités de surface de l’océan à l’Île des Pins, Nouvelle-Calédonie ... 138
4.1.a. Présentation et synthèse de l’article... 138
4.1.b. Article “Five centuries of interannual to multidecadal sea surface parameters reconstruction from southwest Pacific coral” soumis à Paleoceanography... 140
4.2. Le signal des Isotopes du Carbone, lien avec les variations de l’intensité solaire via les processus métaboliques internes au corail ... 174
4.2.a. Présentation et synthèse de l’article... 174
4.2.b. Article “Potential imprint of Spörer and Maunder minima on coral skeleton carbon isotopes” à soumettre à Geophysical Research Letters... 175
4.3. Synthèse du Chapitre 4 ... 185
CHAPITRE 5 . RECONSTITUTIONS PALEOCLIMATIQUES A WALLIS ... 188
5.1. Trois siécles de croissance corallienne : étude multitraceurs à Wallis, cœur de la Zone de Convergence du Pacifique Sud (SPCZ)... 188
5.1.a. Présentation et synthèse de l’article... 188
5.1.b. Article “A new coral archive in the South Pacific Convergence Zone reveals climate changes over the last centuries” en préparation pour la revue Coral Reef.... 191
5.2. Synthèse du chapitre 5 ... 222
CHAPITRE 6 . SYNTHESE DES DONNEES PALEOCLIMATIQUES ... 224
6.1. Préambule ... 224
6.2. Choix et présentation de la base de données ... 224
6.3. Series coralliennes ... 225
6.3.a. Comparaison entre les deux sites d’étude Wallis et l’Ile des Pins ... 225
6.3.b. Les différentes carottes coralliennes dans le Pacifique Sud ... 229
i. Description des séries ... 230
ii. Traitement mathématique et procédé d’homogénéisation des données... 233
iii. Les tendances générales et les phénomènes basses fréquences ... 235
6.4. Exemples de résultats obtenus à partir de séries autres que coralliennes ... 238
6.4.a. Séries issues des cernes de croissance d’arbres ... 238
6.4.b. Séries issues des carottes de glace ... 239
6.4.c. Bilan préliminaire ... 240
6.4.d. Autres types de données ... 242
6.5. Séries issues de reconstitutions grâce aux modèles... 243
6.6. Conclusions du Chapitre 6 ... 246
CONCLUSIONS GENERALES ET PERSPECTIVES ... 247
ANNEXE 1: LE FILTRE HANNING... 270
ANNEXE 2 : RAPPORT DE MISSION CLIPPERTON ... 271
ANNEXE 3 : LOGICIEL WINDENDRO ... 277
ANNEXE 4 : MEB ... 278
Table des Figures
Figure 1.1 Reconstitution de l’évolution de la température de la surface de la Terre à l'échelle des temps géologiques (Nesme-Ribes and Thuiller 2000). ... 21 Figure 1.2 Différentes fréquences des cycles climatiques montrant l’hétérogénéité des échelles de temps
qui régissent les variations climatiques (Nesme-Ribes and Thuiller 2000)... 24 Figure 1.3 Vue schématique des principales zones de convergence dans le Pacifique: l'ITCZ et la SPCZ,
ainsi que des zones de hautes (H) et de basses (L) pressions. Les flèches symbolisent les principaux vents de surface, notamment les alizés (d’après Trenberth, 1991)... 26 Figure 1.4 Représentation schématique de la climatologie moyenne dans le Pacifique Sud Ouest pendant
l’été austral (Salinger 1995) ... 27 Figure 1.5 Représentation schématique de la climatologie moyenne dans le Pacifique Sud Ouest pendant
l’hiver austral (Salinger 1995). ... 27 Figure 1.6 Carte des températures de surface du globe (moyennes annuelles, source NODC (Levitus)
World Ocean Atlas 1998 http://www.cdc.noaa.gov/). Les principaux courants océaniques (C) dans le Pacifique tropical sont schématisés à l’extrême (McGregor and Nieuwolt 1998). Les limites de la West Pacific Warm Pool sont définies par l’isotherme 28°C du au phénomène de convection. La WPWP est composée des eaux supérieures à 28°C (en rouge). ... 28 Figure 1.7 Contexte climatique du Pacifique en conditions moyennes (Ruddiman 2001). Les gradients de
couleurs désignent les gradients de températures, H (High), les Hautes pressions et L (Low), les Basses pressions. Les flèches représentent le sens des courants océaniques et atmosphériques (vents).
... 29 Figure 1.8 La circulation de Walker au dessus du bassin Pacifique. Source http://www.bom.gov.au ... 31 Figure 1.9 Contexte climatique du Pacifique en condition El Niño (Ruddiman 2001)... 31 Figure 1.10 Carte des anomalies de température de surface de l'océan sur le bassin Est Pacifique avec le
réchauffement caractéristique d’un événement el Niño. ... 32 Figure 1.11 Variation du SOI (Southern Oscillation Index) entre 1880 et 2005. Les Niños correspondent
aux valeurs négatives et sont donc ici en rouge. (Source:
http://www.cgd.vcar.edu/cas/catalog/climind) ... 33 Figure 1.12 Position des différentes boîtes permettant de caractériser des événements ENSO en terme
d’anomalies de température de surface de l’océan. ... 33 Figure 1.13 Contexte climatique du Pacifique en conditions La Niña (source laboratoire ECOP IRD
(Institut de Recherche pour le Développement, Nouméa)). ... 34 Figure 1.14 Répercussions mondiales du phénomène El Niño dues aux téléconnections (source ECOP
IRD). ... 35 Figure 1.15 Modèle de l'oscillateur retardé (Cibot 2004). ... 36 Figure 1.16 Variations des SST (Sea Surface Temperature, boite Niño 3.4 indicateur d’ENSO, Figure 1.12)
et la fluctuation décennale (filtrage des périodes supérieures à 7 ans Fedorov et al. (2000)... 38 Figure 1.17 Phase chaude (à gauche) et phase froide (à droite) de la PDO et leur répercussion en terme de
température (source JISAO). ... 39 Figure 1.18 Evolution mensuelle de l’index PDO depuis 1900 (source JISAO)... 40 Figure 1.19 Représentation schématique du mode décennal faisant intervenir le Pacifique Sud comme
zone clef (Luo and Yamagata 2001). ... 41 Figure 1.20 Carte du Pacifique Sud Ouest et détail des zones d'étude: l'île de Wallis et celle de la Nouvelle- Calédonie avec l’île des Pins (IP) à l’extrême Sud. Les étoiles représentent les lieux de prélèvement des carottes. ... 44 Figure 1.21 Division du Pacifique en quatre zones suivant les tendances des précipitations et des
températures de l’air (Salinger 1995). ... 45 Figure 1.22 Comparaison entre les enregistrements des températures de l'air du phare Amédée (rose) et
de Moué, à l'île des Pins (bleu). ... 48 Figure 1.23 Image satellite, à gauche, et cartographie de la Zone de Gadjii (Nord Est de l’Ile des Pins)
zone de prélèvement de la carotte IP. ... 50
Figure 1.24 Carte proposant une synthèse géographique des différents sites de prélèvements de carottes coralliennes du Sud de l’île de la Nouvelle-Calédonie dont il est fait référence dans la suite du manuscrit. Les sites de Uitoé (étoile) et de l’île des Pins (carré plein) sont nos sites d’étude, le phare Amédée (carré) a été étudié par d’autres auteurs, Quinn et al (1998) ou Corrège et al (2001) par exemple. ... 51 Figure 1.25 Variations quotidiennes (bleu) et moyennes mensuelles (rouge) des températures de l’air
enregistrées à la station Météo France de Hihifo... 54 Figure 1.26 Normales des températures et précipitations mensuelles à Hihifo (Wallis) calculées sur la
période 1971-2000, d’après les données de Météo France Nouvelle-Calédonie. Extrait de Juncker (2005). ... 55 Figure 1.27 Courantologie à l’intérieur des trois bassins qui compartimentent le lagon de Wallis. Le lieu
de prélèvement est symbolisé par un cercle rouge. Figure élaborée à partir des informations
disponibles dans le rapport de Richard et al. (1982), modifiée, d’après Juncker (2005)... 56 Figure 1.28 Moyennes mensuelles des températures au niveau des pentes externes de Wallis (enregistrées
à 10 m de profondeur, sur trois sites respectivement à l’Est, à l’Ouest et au Nord Ouest de l’île, ainsi que dans le lagon). Ces moyennes de températures sont calculées sur la période 2002-2004. Sources : IRD Nouvelle-Calédonie et Service de l’Environnement de Wallis et Futuna. ... 56 Figure 1.29 Variations des SST enregistrées par les thermosalinographes de l'IRD sur l'île de Wallis et en
Nouvelle-Calédonie (site de Uitoé)... 58 Figure 1.30 Variations des SSS enregistrées par les thermosalinographes de l'IRD sur l'île de Wallis et en
Nouvelle-Calédonie (site de Uitoé). NB les données de Wallis ne sont pas validées, il faut notamment être prudent quant à l’interprétation des deux fortes diminutions début 1999 et fin 2002 visibles sur l’enregistrement, où les SSS perdent parfois plus de 2 psu en quelques jours. ... 58 Figure 1.31 Structures spatiale et temporelle associées aux phases chaudes de la PDO et d’ENSO. Les
gradients de couleur représentent les anomalies de SST ; les vecteurs représentent les tensions de vent et les contours représentent les pressions de surface
(http://tao.atmos.washington.edu/pdo/graphics.html)... 59
Figure 2.1 Photographie sous marine d’un des coraux massifs échantillonné pour cette étude en Nouvelle- Calédonie. Crédit photo : Timothée Ourbak ... 63 Figure 2.2 Structure du corail: association de l'animal (en rouge) et de l’ectoderme (en vert) qui est la
partie contenant les végétaux pour former le minéral (en gris) (Veron 2000). ... 64 Figure 2.3 Répartition géographique des récifs coralliens de par le monde (source www.coris.noaa.gov). 65 Figure 2.4 : Extrait de la carte de l’île de Wallis et zone de prélèvement, en rouge (SHOM). ... 67 Figure 2.5 Appareil de micro échantillonnage. La plaque de corail vient au contact de la mèche selon les
paramètres rentrés dans le programme (ordinateur au deuxième plan). ... 67 Figure 2.6 Radiographie des plaques de corail composant la carotte de l’île des Pins. On voit clairement les
stries de croissance et les alternances de bandes de haute et de faible densité. Les lignes
d'échantillonnage sont également visibles avec des marqueurs spatiaux (points plus profonds). Une alternance de bandes de croissance représente une année. La partie sommitale de la carotte est située en haut à gauche (la première tranche mesure 15,5 cm), la base en bas à droite... 68 Figure 2.7 Variations au cours du temps des anomalies de températures de surface selon la série de
Kaplan (Kaplan et al. 1998) centrée sur l’Ile des Pins... 70 Figure 2.8 Comparaison des différents filtrages : en vert la série initiale, les triangles oranges représentent le signal moyenné à 2 mois ; en bleu la moyenne à 3 mois et en rouge la moyenne à 6 mois. ... 71 Figure 2.9 Filtrage faisant ressortir les variations interannuelles pour les données Kaplan moyennées en
mensuelles (vert), trimestrielles (bleu) et bi annuelles (rouge). ... 72 Figure 2.10 Filtrage faisant ressortir les variations interdécennales pour les données Kaplan moyennées en mensuel, trimestriel et bi annuel. Les données aux extrémités représentent les données brutes et de ce fait présentent une variabilité accrue. ... 73 Figure 2.11 Figure extraite de Quinn et al (1996) comparant les résolutions d'échantillonnage issues des
mesures des isotopes de l'oxygène (en ‰) du corail du phare Amédée. On retrouve des résolutions mensuelles (a), bi mensuelles (b), trimestrielles (c) et bi annuelles (d)... 74
Figure 2.13 Radiographie d’une tranche de corail (IP5-1a). Deux stries de croissance (l’alternance d’une bande de faible et d’une de forte densité) représentent en moyenne 1 cm. ... 77 Figure 2.14 Radiographie de la plaque IP1/11 où l’on distingue difficilement les stries de croissance. ... 78 Figure 2.15 Radiographie d’une tranche de corail avec en surimpression la courbe d’intensité des pixels.
On notera également que deux lignes continues d’échantillonnage sont visibles, une correspondant aux échantillons haute résolution, l’autre à ceux basse résolution. ... 79 Figure 2.16 Variations isotopiques de l'oxygène dans le cycle de l'eau. ... 88 Figure 2.17 Illustration des processus de fractionnement cinétiques et métaboliques des isotopes dans les
coraux, d'après le modèle de McConnaughey et al (1986). Pavona Clavus est un corail avec des algues photosynthétiques, contrairement au Tubastrea sp. La covariation des deux isotopes est la relation cinétique classique pour des coraux hermatypiques, alors que l’écart des données pour Pavona (sur l’axe du carbone) représente le fractionnement métabolique du aux processus
métaboliques (i.e. photosynthèse et respiration). ... 90 Figure 2.18 Exemples de différentes calibrations entre le Sr/Ca contenu dans le squelette des coraux
massifs et la température de surface; la droite en orange correspond à de l’aragonite inorganique. 91 Figure 2.19 Carte de répartition des prélèvements d'eau (5 métres supérieurs de la colonne d'eau) qui
constituent la base de données de la NASA, d’après les travaux de Schmidt et al (1999), carte extraite de LeGrande et al. (2006). On notera que notre zone d’étude est quasiment entièrement dépourvue de données. ... 98 Figure 2.20 Valeurs des salinités et de la composition isotopique de l'eau de mer (correspondant à des
mesures effectuées lors de la campagne Alizé 2, données extraites de la thèse de E Laube-Lenfant).
Ces données proviennent d’échantillons collectés en surface entre 160.55 W et 165 E et entre 2 S et 2.5 N. ... 99 Figure 2.21 Comparaison des rapports isotopiques ainsi que du taux de Sr/Ca dans un corail de Papouasie Nouvelle-Guinée, figure extraite de Quinn et Taylor (2006)... 105 Figure 2.22 Diffractogramme de poudre issue de la plaque IP1/35. Les pics noirs correspondent à la
mesure, les pics bleus sont les pics théoriques de l’aragonite et de la calcite en rouge... 106
Figure 5.1 Relation spatiale entre le δ18Osw et les salinités de surface; ces données proviennent du GISS (Schmidt 1999; Bigg and Rohling 2000). L’ellipse signale les données des eaux intertropicales. Figure extraite de la thèse de Roche (Roche 2005)... 189
Figure 6.1 Comparaisons des différents traceurs géochimiques mesurés dans les carottes à Wallis (en ligne continue noire) et à l'île des Pins (en gris discontinu)... 226 Figure 6.2 Carte de localisation des différentes carottes présentées dans le Tableau 2. Les couleurs en
arrière plan indiquent le champ moyen des températures de surface de l’océan (Levitus et al. 1994).
... 229 Figure 6.3 Comparaison de différents enregistrements coralliens à l'échelle du bassin Pacifique et ce sur
les derniers siècles. Le rectangle montre la zone où approximativement tous les enregistrements montrent une tendance vers des SST plus chaudes et/ou des précipitations plus importantes. La flèche en 1883 indique l’éruption du Krakatau, qui semble avoir eu un impact sur la quasi-totalité des carottes. L’échelle des ordonnées est en anomalie de δ18O. ... 234 Figure 6.4 Evolution temporelle des enregistrements issus de stries de croissance d'arbres et
reconstitutions des signaux de type interannuel, indices Niño 3 et SOI (Southern Oscillation Index), et interdécennaux (PDO, Pacific Decadal Oscillation). Toutes ces données sont des moyennes annuelles. ... 239 Figure 6.5 Comparaison de quatre enregistrements provenant de carottes de glace. Les données (en
anomalies) des carottes péruviennes du Huascaran (9°S, 77°W) (Thompson et al. 1995) et de Quelccaya (13°S, 71°W) (Thompson 1980) sont des isotopes stables de l’oxygène de la glace. La carotte de Dunde, en Chine (38°N, 96°E) (Thompson et al. 1989), présente également l’évolution du δ18O tandis que l’enregistrement de Talos Dome (72°S, 169°E) (Stenni et al. 2002), en Antarctique de l’Est représente l’évolution du δD. Les 4 échelles sont en ‰... 240
Figure 6.6 Les courbes montrent des données instrumentales ainsi que des reconstitutions provenant de diverses données paléoclimatiques traitant de la variabilité décennale dans le Pacifique. Les données sont normalisées. Figure extraite de Labeyrie et al (2003)... 242 Figure 6.7 Figure extraite de Hegerl et al (2006) montrant des enregistrements paléoclimatiques
(essentiellement des données issues des arbres : CH-blend : données de Hegerl et al. (2006)); ref 14 : Cook et al. (2004), ref 11 : Mann and Jones (2003), ref 12 : Briffa et al. (2001)), comparés à une simulation de modèle climatique ainsi que des données instrumentales. Toutes les courbes se référent à des données de l’hémisphère Nord. Pour plus de détails concernant les différents enregistrements se référer à l’article de Hegerl et al. (2006). ... 244 Figure 6.8 Changements de température mais dans l’Hémisphère Sud cette fois, avec en jaune les
incertitudes. L’histoire des températures a été reconstituée sur 1800 années. En rouge, les données instrumentales sont également montrées (Jones et al. 2004)... 244 Figure 6.9 Figure extraite du rapport IPCC 2001 (International Panel on Climate Change) montrant les
différents scenarii proposé pour les années à venir (Projection 2000-2100). Sont également montrées les données instrumentales 1861-2000 soumises à de faibles incertitudes comparées aux données de 1000 à 1861 reconstruites à l’aide de divers traceurs. ... 245
Tableau 1 Récapitulatif des séries de données environnementales existantes. Uitoé est un enregistrement thermosalinographe, Amédée comporte des prélévements d’eau de mer dans lesquelles sont mesurés les SST et les SSS, les données des températures de l’air proviennent des stations Météo France de Moué et du phare Amédée et contiennent également des données telles que les précipitations, la force et l’intensité de vents. On notera que la plupart des series ne sont pas continues. Les cases vides correspondent à l’absence de donnés. ... 52 Tableau 2 Récapitulatif des différentes séries sélectionnées... 229 Tableaux 3 et 4 Matrices de corrélation des différents enregistrements circum Pacifique entre la période
1886-1957, réalisées grâce au logiciel Statview. NB, les données issues de la Grande Barrière de corail ont été exclues car possédant des résolutions bi-annuelles ou pent-annuelles et donc ne s’accordant pas avec les séries annuelles pour des confrontations statistiques. Le premier tableau présente les corrélations issues des données brutes tandis que le second présente celles des moyennes glissantes sur 7 années. ... 236
Préambule, note à l’intention des lecteurs
La thèse de doctorat constitue l’aboutissement d’une vie d’étudiant. C’est en effet le dernier diplôme de troisième cycle que propose le système universitaire français. Ainsi, c’est un exercice académique qui fait suite à une série d’années de recherche, formalisées par le présent manuscrit.
Mais la thèse c’est aussi et surtout un passeport, une clé nécessaire (mais pas suffisante à l’heure actuelle) vers le monde de la recherche. En effet, une thèse en elle-même ne s’avère pas suffisante si elle n’est pas accompagnée de production d’articles scientifiques.
La quasi-totalité des résultats obtenus est destinée à être publiée dans des revues scientifiques. Ce manuscrit comporte donc une grande partie de chapitres rédigés en anglais (chapitres 3, 4 et 5), correspondant à cinq articles publiés, soumis ou à soumettre à des revues internationales. Une présentation synthétique accompagne ces publications. Il est à noter que les articles 4 et 5 sont encore en cours de travaux et ne sont pas encore publiés à l’heure de l’impression de ce manuscrit, des changements pourront donc être opérés entre les versions publiées dans ce manuscrit et celles qui seront publiées dans des revues scientifiques.
Avec un tel schéma d’écriture, certaines redondances ne peuvent être évitées.
Les versions pdf ou papier des différents articles peuvent être obtenues sur simple demande à [email protected].
Introduction
La Climatologie, ou science du temps qu’il fait, « science des saisons » est d’un impact implicite dans la vie de tout un chacun et sa prévision s’avère précieuse. A l’heure actuelle, il existe un paradigme qui se résume très simplement.
A la question : « quel temps fera t’il demain ? », les météorologues au service des prévisions atmosphériques vous répondront sans hésitation et avec une fiabilité sans cesse accrue. En effet, depuis l’avènement des super calculateurs, la météorologie a fait des progrès considérables.
D’un autre côté, à la question : quel climat dans 50 000 à 100 000 ans ? les climatologues vous répondront également sans hésiter que la terre sera entrée dans une phase de glaciation et qu’en moyenne, il y fera beaucoup plus froid qu’aujourd’hui (Berger et al.
2002). En effet, depuis les travaux de Milankovicth (1941), on sait que les variations climatiques d’ordre millénaire de l’ère Quaternaire dans laquelle nous vivons peuvent être comprises grâce aux lois mathématiques relatives à certains paramètres orbitaux (excentricité, obliquité, précession).
Entre les deux, à l’échelle de l’année, de la décennie, si importante pour l’Humanité, les sciences météorologiques et climatologiques ne sont pas encore assez précises pour donner des réponses fiables. Les scientifiques travaillent pour affiner leurs modèles prédictifs qui, s’ils s’accordent dans les tendances générales, sont encore loin d’être satisfaisants quant à l’amplitude des changements à venir. Ainsi les projections pour 2100 donnent des fourchettes de prévision des températures moyennes à l’échelle du globe, toutes plus chaudes, mais comprises entre 1.4 et 5.8°C (cf. à ce sujet le rapport du GIEC, Groupe d'Experts Intergouvernemental sur l'Evolution du Climat, 2001).
L’une des causes des larges incertitudes dont sont entachées les projections futures, outre celles dont sont affectés les processus mis en œuvre quant à l’évolution climatique, est le manque de recul dans le temps. En effet, afin d’appréhender un système aussi complexe que le système climatique terrestre, les données instrumentales sont éparses et restent confinées dans le temps aux dernières décennies en général. Devant la complexité du système naturel terrestre, récemment modifié par l’avènement de la perturbation anthropique1, les modélisateurs cherchant à prévoir le climat se tournent vers les paléoclimatologues afin de mieux cerner les variabilités passées à l’échelle séculaire.
1 Liée à l’homme. L’impact des civilisations humaines sur les climats est maintenant quasiment unanimement reconnu à l’heure actuelle par la communauté scientifique.
« Mieux comprendre le passé pour prévoir le futur »…
C’est dans cette optique que s’inscrit ce doctorat à savoir l’étude des mécanismes de la variabilité climatique interannuelle et interdécennale passée, et ce, dans une zone d’intérêt capital pour le climat planétaire : les Tropiques et plus particulièrement le Pacifique. Ce vaste océan est le siège du phénomène climatique le plus important à l’échelle du globe : le phénomène ENSO (El Niño Southern Oscillation). ENSO, par son essor dans un océan faisant plus de la moitié de la circonférence du globe à l’équateur, et par un jeu complexe de téléconnections atmosphériques et océaniques, a des impacts climatiques tout autour de la planète (sécheresse, pluies diluviennes, cyclones inhabituels...). Ces impacts ont des conséquences socio-économiques importantes. Dans l’optique d’améliorer la compréhension de ce phénomène, il est primordial d’étendre la base de données instrumentales mise en place depuis une cinquantaine d’années autour du Pacifique.
Pour étudier les climats du passé, différentes approches existent depuis une cinquantaine d’années, chacune avec ses particularités. On citera pour information les archives historiques, les carottes de glace et de sédiment ou encore l’étude des stries de croissance des arbres (dendrochronologie) qui restent les plus utilisés de nos jours. En parallèle, spécialement sous les Tropiques, il est possible d’utiliser les coraux comme enregistreur du climat passé. Si cela fait plus de 30 ans que les scientifiques croient aux potentialités des archives coralliennes (Knutson et al. 1972; Smith et al. 1979), c’est seulement depuis 1992 que les développements techniques permettent de démontrer la fiabilité, la robustesse et la haute précision des traceurs géochimiques contenus dans les coraux, témoins des variations climatiques (Beck et al. 1992).
Notre étude s’inscrit également dans l’optique de la compréhension des répercussions des variations climatiques passées sur les écosystèmes que sont les environnements récifaux. Ces derniers étant extrêmement important, notamment d’un point de vue socio économique pour les populations, notamment sur des îles isolées comme celles caractérisant la majorité du Pacifique Sud.
Objectifs de l’étude et synopsis
Dans un récent article publié par Henderson et collaborateurs en 2002, « New oceanic proxies2 for paleoclimate » les auteurs concluent en attirant l’attention sur les challenges suivants :
Comprendre les observations empiriques avec une compréhension chimique et biologique des processus contrôlant les proxies et générer suffisamment de données pour tester les modèles climatiques.
Nos objectifs s’insèrent dans ce cadre, bien qu’étant plus ciblés et plus spécifiques. Ils s’articulent autour de deux thèmes centraux :
1/ L’amélioration de la compréhension de la géochimie du corail en fonction des variations des facteurs environnementaux qui l’affectent.
2/ La transposition de ces connaissances à des enregistrements coralliens longs afin de comprendre l’évolution des variations paléoclimatiques dans le Pacifique Sud.
Le premier chapitre concernera une introduction générale et permettra la description de notions de climatologie régionale essentielles et nécessaires à la compréhension de l’ensemble du manuscrit. En outre, la description des différents sites d’étude (l’île des Pins et Uitoé, en Nouvelle-Calédonie et Wallis) sera abordée.
La diversité des sites entraînant une diversité des approches, le deuxième chapitre s’attachera à la description du matériel corallien et des différentes méthodes géochimiques utilisées au cours de cette étude. Ceci nous amènera à voir de quelle manière les traceurs ou proxies géochimiques contenus dans le squelette calcaire des coraux sont reliés aux paramètres environnementaux.
Nous confirmerons la fiabilité des paléothermomètres coralliens existant d’une part et améliorerons la compréhension du signal de salinité dans les coraux d’autre part, ce qui constitue un élément novateur dans le domaine de la paléoclimatologie corallienne (chapitre 3). Ainsi, une étude multiproxies a été produite à très haute résolution (quasi mensuelle) sur un corail néo-calédonien qui possède la particularité d’être au contact immédiat d’un thermosalinographe.
Le chapitre 4 traitera de l’évolution des paléoclimats de l’île des Pins, au sud de la Nouvelle-Calédonie, et ce depuis plus de cinq siècles. On verra notamment comment la
2 Le terme de proxies en anglais peut être traduit par traceur ou encore indicateur. Les trois termes seront couramment employés dans la suite du manuscrit.
mémoire des coraux permet d’argumenter en faveur d’un phénomène climatique ayant eu un impact sur la Grande Révolte Kanaque de 1878. Nous verrons également que cette étude apporte la première preuve dans cette zone du Pacifique d’événements « mega ENSO » aux alentours de 1600, qui apparaît comme une période climatique particulière de part le monde.
Cette étude est la première à reconstruire en continu presque cinq siècles d’évolution des salinités. On abordera également le potentiel lien existant entre les isotopes du carbone et les minima solaires, via une variation des processus métaboliques au sein du corail.
Cette étude sera complétée par l’étude des variations de multiples traceurs géochimiques à l’île de Wallis, et ce depuis prés de trois siècles L’étude multiproxies conduite révèle la nécessité de calibrations systématiques, ainsi que l’utilité des isotopes de l’oxygène pour rendre compte des variations dues aux intenses précipitations dans la zone. Par contre, les variations de température sont trop faibles pour permettre une reconstruction grâce aux outils géochimiques contenus dans les coraux (chapitre 5).
Enfin, nous effectuerons une synthèse des résultats majeurs de ces études, et les comparerons avec les différents enregistrements déjà publiés dans la littérature scientifique afin de développer un modèle conceptuel du « paléoPacifique » lors des derniers siècles (chapitre 6).
CHAPITRE 1
Problématique générale de l’étude
CHAPITRE 1 . Problématique générale de l’étude
1.1. LA CLIMATOLOGIE ET LA PALEOCLIMATOLOGIE
1.1.a. Climat, bilan radiatif et effet de serre
Etymologiquement, climat (Klima en grec) désigne l’inclinaison du rayonnement solaire qui arrive sur terre. Le climat peut être défini comme l'état moyen de l'atmosphère résultant de la succession de différentes conditions météorologiques pendant une longue période dans une région donnée (Encyclopedia-Universalis 2000). Ce sont donc les caractères statistiques du temps, moyennes et écarts à la moyenne qui définissent les climats (Jousseaume 1993). Par abus de langage, cette définition est étendue à l’océan.
C’est le bilan radiatif qui gouverne, au premier ordre, la répartition des climats terrestres (Trompette 2000; Ruddiman 2001). La quantité d'énergie transmise au sol étant maximale au niveau de l'équateur et diminuant en allant vers les pôles, un déficit énergétique est ainsi crée (en moyenne l’équateur reçoit deux fois et demi plus d’énergie solaire que les Pôles).
Annuellement, ce déficit est estimé à 100 W.m-2 (Jousseaume 1993; Beer et al. 2000;
Ruddiman 2001). La planète répartit cette énergie sous forme d’énergie radiative, thermique et mécanique grâce à des systèmes complexes de circulations océaniques et atmosphériques.
Les échanges de chaleur (sous forme sensible et latente3) et la dynamique du couple océan- atmosphére jouent un rôle clé dans l’établissement de zones climatiques sur Terre.
L'océan est donc chauffé en surface par les rayons solaires qui pénètrent jusqu'à plusieurs dizaines de mètres de profondeur. L'action combinée des rayons du soleil, des échanges thermiques et des mouvements mécaniques crée des courants superficiels. Ceux-ci transportent de la chaleur de la zone intertropicale vers les zones polaires.
L’apparition des premières traces de vie4 dans l’océan, il y a près de 3,55 milliards d’années avec notamment le phénomène biologique de photosynthèse a eu une influence sur la composition chimique de l’atmosphère. C’est dans les premiers océans que s’est fixé le gaz carbonique atmosphérique sous forme de carbonate de calcium (CaCO3) et qu’on a assisté à la
3 La chaleur sensible est exportée par les masses d’air chaudes et les courants marins ; la chaleur latente, elle, est exportée uniquement par évaporation et transport de la vapeur d’eau dans l’atmosphère.
4 Il est à ce sujet intéressant de noter que les stromatolites, les premières structures organisées se sont fixés dés le
production d’oxygène (Encrenaz 2000). Si l’on en croit la théorie de Gaïa (Lovelock 1979), des phénomènes de rétroactions (feedback) existent et il y a « concertation » de la biologie et de la géochimie atmosphérique afin de donner à la terre des conditions climatiques
« viables ». Des millions d’années d’évolution ont permis l’aboutissement de la composition atmosphérique telle que nous la connaissons. L’effet de serre5 permet une augmentation de température d’environ 28°C, rendant la température globale moyenne de 15°C, au lieu des -13°C attendus (Jousseaume 1993; Ducroux et al. 2004).
Il existe donc une relation intime entre l’évolution de la planète, et de la vie qui y règne, et le climat terrestre.
1.1.b. A l’échelle des temps géologiques
Le paramètre primordial dans l’étude des climats est la température. Si l’on considère la Figure 1.1, on remarque que la terre a subit de très fortes fluctuations thermiques au cours de son histoire.
Figure 1.1 Reconstitution de l’évolution de la température de la surface de la Terre à l'échelle des temps géologiques (Nesme-Ribes and Thuiller 2000).
5 Le nom de l’effet de serre est dû au fait que l’atmosphère se comporte comme la vitre d’une serre en laissant passer le rayonnement solaire incident tout en retenant une partie du rayonnement infrarouge solaire émis par la terre vers l’espace
Le Pléistocène, entre 1,8 et 0,01 millions d’années, entame la période dite Quaternaire dont les caractéristiques géologiques sont la succession des périodes glaciaires/interglaciaires et l’apparition de l’Homme. C’est grâce au travail pionnier des géologues de terrains du 19 éme siècle, notamment suisses, qu’on a pris conscience de l’alternance des périodes glaciaires et interglaciaires. En effet, les alternances de retrait et d’avancement des glaciers laissent des traces multiples (lacs, blocs dits erratiques, stries de roches par action mécanique de rochers pris dans la glace, moraines…(Duplessy 1996)). D'abord controversée, l’idée est petit à petit reconnue, appuyée par des théories astronomiques, (Adhémar notamment) jusqu’à ce que la théorie de Milankovitch, écrite dans les années 1940, fasse référence.
Ce mathématicien serbe a en effet postulé que l’origine de la cyclicité climatique millénaire était due à des variations de paramètres orbitaux (excentricité, obliquité et précession astronomique).
Cette théorie a, depuis lors, été confirmée par l’analyse de carottes sédimentaires (Hays et al. 1976; Imbrie et al. 1984; Bassinot et al. 1994; Ruddiman 2001 ).
De récentes recherches sur les carottes de glace peuvent également être citées. En 2004, la communauté EPICA (European Project for Ice Coring in Antarctica, (EPICA 2004)) a réussi à reconstituer les variations des proportions de Deutérium (isotopes de l’Hydrogène) qui dépendent, entre autres, de la température atmosphérique de cristallisation des précipitations qui forment les glaces en Antarctique. Sur les derniers 740 000 ans que couvre cet enregistrement les périodes des huit derniers cycles glaciaires/interglaciaires prévues par Milankovitch peuvent être observées.
Ces recherches sont un exemple marquant de la théorie orbitale des climats sur de longues échelles de temps.
1.1.c. A l’échelle humaine
D’un point de vue historique, on se rend compte de l’extrême importance des phénomènes climatiques. Nombres d’historiens du climat ont tenté de corréler d’importants faits de société au climat (Le Roy Ladurie 1967; Acot 2003; Le Roy Ladurie 2004). Par exemple, Grove (Grove 1998) mit en avant la rigueur de l’hiver 1787/1788, suivi par un printemps tardif et humide pour expliquer le mécontentement français à l’origine de la Révolution Française.
Depuis la fin du 18 éme siècle, l’espèce humaine semble avoir un impact sur le climat
activités qu’elle produit : combustion des réserves fossiles, agriculture et changements d’affectation des terres principalement. Les différents rapports du GIEC (Groupe d’Experts Intergouvernemental sur l’Evolution du Climat, http://www.ipcc.ch/) ont souligné des questions scientifiques de première importance, dont celle de connaître l’ampleur et les répercussions du réchauffement global, largement avéré (Mann et al. 1998; Watson et al.
2001).
Déterminer la part de l’homme dans la variabilité naturelle est donc une question d’actualité, à l’heure où l’humanité vit à l’ère de l’Anthropocène6 (Crutzen 2002).
Afin de mieux cerner la variabilité climatique actuelle et notamment son évolution future, les scientifiques s’attachent à comprendre la variabilité climatique du passé. En effet, la base de tout travail de prévision est d’être capable de comprendre le climat actuel, mais aussi de reconstruire les climats du passé. Les modélisateurs se servent en effet des synthèses paléoenvironnementales afin de tester leurs modèles dans des conditions différentes de celles du présent (Kohfeld et al. 2000).
Pour la compréhension des phénomènes actuels, les efforts consentis par les gouvernements, notamment depuis l’année 1958 (année internationale de la géophysique), permettent des mesures fiables et systématiques, essentiellement atmosphériques mais aussi océaniques (stations automatisées, réseaux de surveillance, satellites).
Parallèlement à ces mesures et à ces recherches concernant les dynamiques actuelles, la communauté des paléoclimatologues s’efforce de reconstruire de plus en plus précisément les variations climatiques des derniers millénaires.
Le travail du paléoclimatologue à cet égard est double :
Améliorer la compréhension des paléoclimats, mais également fournir des bases de données aux modélisateurs afin de pouvoir documenter les conditions environnementales dans le passé. Ces « conditions aux limites » seront utilisées pour simuler l’évolution climatique avec une plus grande précision.
Ces reconstructions paléoenvironnementales se font sur différentes échelles de temps, de l’échelle saisonnière à l’échelle du million d’années selon la fréquence des phénomènes que l’on cherche à observer (Figure 1.2).
Les travaux portant sur des archives sédimentaires ou glaciaires sont souvent orientés vers de longues échelles temporelles. Par contre, de part la nature intrinsèque de son outil de
6 L’Anthropocéne peut être défini comme la période ayant débuté vers la fin du dix huitième siècle, moment où l’augmentation de la concentration en dioxyde de carbone (CO2) et du méthane (CH4) dans l’atmosphère a été avérée par l’analyse des bulles d’air piégées dans les carottes de glace. Crutzen, P. (2002). "Geology of Mankind." Nature 415: 23.
travail, la paléoclimatologie corallienne se focalise sur des études à courte échelle temporelle, de l’ordre de la dizaine à la centaine d’années (Gagan et al. 2000; Felis et al. 2004; Corrège 2006 ).
Figure 1.2 Différentes fréquences des cycles climatiques montrant l’hétérogénéité des échelles de temps qui régissent les variations climatiques (Nesme-Ribes and Thuiller 2000).
Les zones tropicales sont importantes au niveau climatique (McGregor et al. 1998).
C’est dans ces latitudes que l’excès du bilan radiatif est crée. Ce dernier est le point de départ de la machine climatique, l’origine des principales circulations océaniques et atmosphériques.
Nous allons nous intéresser plus particulièrement au plus grand des océans extrêmement important d’un point de vue climatique (Cane 1998): le Pacifique, et à une résolution temporelle comprise entre 0.04 années (15 jours) et quelques centaines d’années.
1.2. CONTEXTE CLIMATIQUE DU PACIFIQUE
1.2.a. Climatologie générale dans l’océan Pacifique
A l’équateur, l’océan Pacifique représente la moitié de la circonférence terrestre, soit près de 17 000 kilomètres ce qui en fait le plus grand océan mondial (Figure 1.6). Il représente quasiment la taille des océans Atlantique et Indien à l’équateur.
i. Conditions atmosphériques moyennes
Au niveau atmosphérique, deux cellules anticycloniques majeures centrées sur les îles d’Hawaï au Nord et l’Ile de Pâques au Sud sont présentes. Ces zones sont couplées à la large zone dépressionnaire centrée sur le continent maritime (Papouasie Nouvelle-Guinée, Indonésie) comme montré sur la Figure 1.3. Schématiquement, ces zones créent des différences de potentiel de pression atmosphérique et il en résulte la création de vents de surface allant des hautes vers les basses pressions. Dans la bande intertropicale, on nomme ces vents les alizés. Ce sont des vents de surface réguliers dirigés Est Ouest (les trade winds ou easterlies des anglo-saxons). Il existe une zone de convergence des alizés qui se retrouve tout autour de la terre, centrée au nord de l’équateur: c’est l’ITCZ (Inter Tropical Convergence Zone).
Plus localement, dans le Pacifique Sud, on retrouve une zone de convergence allant de la Papouasie Nouvelle-Guinée en direction du Sud Est jusqu’à environ 30°S, 120°W (Vincent 1994) et dénommée SPCZ (South Pacific Convergence Zone).
La Figure 1.3 montre la climatologie moyenne dans le Pacifique Sud Ouest, notre zone d’intérêt.
Figure 1.3 Vue schématique des principales zones de convergence dans le Pacifique: l'ITCZ et la SPCZ, ainsi que des zones de hautes (H) et de basses (L) pressions. Les flèches
symbolisent les principaux vents de surface, notamment les alizés (d’après Trenberth, 1991).
En Janvier, c'est-à-dire durant l’été austral, la position de l’ITCZ est basse en latitude, proche de l’équateur (Figure 1.4). La SPCZ a une répartition « quasi zonale », c’est à dire peu étendue en latitude comparée à la situation hivernale. En comparant avec la situation hivernale (Figure 1.5), on remarque une migration saisonnière de ces deux zones de convergence et des zones de précipitations associées. Cela entraîne également une migration des vents de surface en fonction des saisons, symbolisées par des flèches positionnées différemment sur les figures 1.4 et 1.5. On remarque également le positionnement d’un front dépressionnaire, donnant lieu au phénomène de moussons sur le continent maritime, ainsi que les schémas des anticyclones et des dépressions qui se déplacent au Sud de l’Australie.
Figure 1.4 Représentation schématique de la climatologie moyenne dans le Pacifique Sud Ouest pendant l’été austral (Salinger 1995)
Figure 1.5 Représentation schématique de la climatologie moyenne dans le Pacifique Sud Ouest pendant l’hiver austral (Salinger 1995).
ii.Conditions océaniques moyennes
Au niveau océanique, le Pacifique est caractérisé par ce que les océanographes physiciens nomment la West Pacific Warm Pool (WPWP), zone contenant les eaux les plus chaudes de l’océan mondial (Figure 1.6). Confinée sur le bord Ouest du bassin, elle provient de l’accumulation des eaux chaudes de surface sous l’effet des alizés. Ces alizés entraînent les eaux de surface, créant un déficit hydrique à l’Est du bassin Pacifique. Les eaux ainsi chassées vont être remplacées grâce à l’arrivée d’eaux froides, rétablissant ainsi l’équilibre. Celles-ci proviennent des remontées d’eaux profondes par un phénomène nommé upwelling le long de l’équateur mais également par le courant de Humboldt, relayé par le courant du Pérou, qui remonte le long des cotes Sud Américaines. A l’Est du bassin, on retrouvera ainsi la cold tongue composée d’eaux froides (Dijkstra et al. 1995).
Figure 1.6 Carte des températures de surface du globe (moyennes annuelles, source NODC (Levitus) World Ocean Atlas 1998 http://www.cdc.noaa.gov/). Les principaux courants océaniques (C) dans le Pacifique tropical sont schématisés à l’extrême (McGregor and Nieuwolt 1998). Les limites de la West Pacific Warm Pool sont définies par l’isotherme 28°C du au phénomène de convection. La WPWP est composée des eaux supérieures à 28°C (en rouge).
iii.Situation moyenne aux basses latitudes
L’océan et l’atmosphère interagissent continuellement, on parle de couplage. Si l’on s’intéresse aux basses latitudes, on peut définir le schéma normal ou moyen comme suit. Le long des côtes de l’Amérique du Sud, les Alizés sont orientés Sud Est - Nord Ouest (Figure 1.3 et Figure 1.7). Ce flux d’air produit à la surface de l’océan un mouvement d’eau dévié vers le large par la force de Coriolis due à la rotation de la Terre. Ce flux est compensé par un phénomène d’upwelling ramenant à la surface des eaux plus profondes, plus froides et chargées en éléments nutritifs : c’est une conséquence de la théorie d’Ekman.
A une plus grande échelle, ces alizés soufflent vers l’Ouest du bassin (Figure 1.7).
Cela empêche l’expansion vers l’Est des eaux de la West Pacific Warm Pool (en rouge foncé sur la Figure 1.7) qui restent alors positionnées à l’Ouest du bassin.
Sous cette Warm Pool, la profondeur de la thermocline7 est alors abaissée (150 m environ) alors qu’elle est remontée du fait des upwellings à l’Est (50m environ) créant ainsi une forte pente entre l’Est et l’Ouest du Pacifique (Figure 1.7).
Figure 1.7 Contexte climatique du Pacifique en conditions moyennes (Ruddiman 2001). Les gradients de couleurs désignent les gradients de températures, H (High), les Hautes pressions et L (Low), les Basses pressions. Les flèches représentent le sens des courants océaniques et atmosphériques (vents).
7 Couche interface entre deux masses d’eau de température très différentes, donc caractérisée par un fort gradient thermique.
1.2.b. Variations interannuelles : le phénomène ENSO (El Niño Southern Oscillation)
Le couple océan/atmosphère dans le Pacifique est soumis à de fortes perturbations:
l’ENSO.
ENSO est l’acronyme d’El Niño Southern Oscillation. C’est l’interaction majeure du système couplé océan atmosphère : El Niño étant la partie océanique et l’oscillation australe la partie atmosphérique.
Dans le Pacifique équatorial, les modes de circulations atmosphériques sont connus sous les noms des cellules de Hadley (cellule méridienne de circulation, schématiquement entre l’équateur et 30° de latitude, de part et d’autre de l’équateur) et de Walker. Cette dernière, zonale, s’organise entre une région de basse pression, qui va de la Nouvelle-Guinée à la Polynésie, et une zone de subsidence aux environs de l’île de Pâques.
L’Oscillation Australe, définie par Sir Walker en 1937, peut être interprétée comme l’évolution d’une boucle de circulation atmosphérique matérialisée sur la Figure 1.8. C’est le phénomène oscillatoire entre les pressions atmosphériques à l’Est et à l’Ouest du Pacifique qui définit l’Oscillation Australe.
Au dessus de la Warm Pool, d’intenses phénomènes de convection réchauffent et chargent en vapeur d’eau les masses d’air. Les masses d’air réchauffées et chargées d’humidité s’élèvent et se condensent sous forme de cumulo-nimbus tropicaux donnant lieu à de fortes précipitations au dessus de l’Indonésie. Puis elles repartent vers l’Est en perdant petit à petit leur chaleur latente. Elles subissent alors un phénomène de subsidence, notamment à l’approche du continent.
Figure 1.8 La circulation de Walker au dessus du bassin Pacifique. Source http://www.bom.gov.au
i.El Niño
El Niño est défini historiquement comme étant un courant océanique de surface, chaud, qui longe les côtes de l’Amérique du Sud à la période de Noël. Les pêcheurs avaient en effet remarqué que certaines années, les eaux au large de Chili/Pérou, habituellement froides et poissonneuses devenaient chaudes et pauvres en poissons. Ces changements trouvent leur origine dans la circulation océanique. La Figure 1.9 présente les traits caractéristiques d’un phénomène El Niño.
Figure 1.9 Contexte climatique du Pacifique en condition El Niño (Ruddiman 2001).
El Niño peut être défini comme une panne épisodique du système de circulation classique, correspondant à une destruction ou une inversion des traits climatiques dominants.
(Voituriez et al. 2000). De manière plus ou moins périodique, on assiste à un affaiblissement voire une inversion des alizés au niveau de l’équateur. Ceci entraîne une diminution, voire une disparition des upwellings à l’Est ainsi qu’un déplacement de la Warm Pool qui ne reste plus confinée sur le continent maritime.
Cette WPWP va se rétrécir latitudinalement et surtout s’étendre longitudinalement, donnant lieu au phénomène El Niño, caractérisé sur la Figure 1.10 où l’on voit le réchauffement des eaux de surface équatoriales s’opérer sur la quasi-totalité de l’Est du Pacifique.
Au niveau sous marin, on assiste à une diminution de la pente Est Ouest de la thermocline, notamment du à l’affaiblissement des remontées d’eaux profondes à l’Est (Figure 1.9).
Figure 1.10 Carte des anomalies de température de surface de l'océan sur le bassin Est Pacifique avec le réchauffement caractéristique d’un événement el Niño.
C’est donc ce courant froid qui disparaît à la période de Noël, amenant un réchauffement « exceptionnel » tous les 2 à 7 ans.
Il existe plusieurs indices d’ENSO. La Figure 1.11 présente l’évolution du Southern Oscillation Index qui mesure essentiellement la différence de pression mensuelle et normalisée entre Tahiti en Polynésie Française et Darwin en Australie (Figure 1.8). On peut voir une alternance de phénomènes El Niño, caractérisés par une valeur négative du SOI (Southern Oscillation Index), et son corollaire, La Niña. Il existe également des mesures
d’anomalies de températures dans des zones caractéristiques du Pacifique qui peuvent servir d’indices d’ENSO : les indices Niño 2, Niño 3.4 (Figure 1.12), TNI (Trans Niño Index).
Figure 1.11 Variation du SOI (Southern Oscillation Index) entre 1880 et 2005. Les Niños correspondent aux valeurs négatives et sont donc ici en rouge. (Source:
http://www.cgd.vcar.edu/cas/catalog/climind)
Figure 1.12 Position des différentes boîtes permettant de caractériser des événements ENSO en terme d’anomalies de température de surface de l’océan.
ii.La Niña
Le phénomène La Niña, encore nommé anti el Niño ou el Viejo, est décrit sur la Figure 1.13. On assiste à un renforcement des alizés, la Warm Pool se retrouve confinée complètement à l’Ouest du bassin Pacifique ainsi que la zone de convection et de précipitation qui lui est associée. A l’Est du bassin, les upwellings s’étendent au large de la côte Chili/Pérou. Enfin, au niveau sous-marin la pente de la thermocline devient plus abrupte.
Figure 1.13 Contexte climatique du Pacifique en conditions La Niña (source laboratoire ECOP IRD (Institut de Recherche pour le Développement, Nouméa)).
iii.Répercussions mondiales
Les phénomènes ENSO ont des impacts planétaires. On parle de téléconnections, par exemple entre les cellules de Hadley, se trouvant sur un « plan » latitudinal et les cellules de Walker, se trouvant quant à elles, plus sur un plan longitudinal, qui vont répercuter à l’échelle du globe ce phénomène (Figure 1.14).
Au niveau du Pacifique, allant de pair avec le déplacement de la Warm Pool, la zone de convection et donc les précipitations associées vont se décaler, donnant lieu à un fort déficit pluviométrique dans la partie ouest du Pacifique tropical (l’Australie de l’Est et l’Indonésie, notamment) et des précipitations intenses sur les îles du Pacifique central et le continent sud américain.
Aux latitudes tempérées, la plupart des hivers El Niño sont doux sur le Canada occidental et sur des régions du nord-ouest des Etats-Unis. Le sud des États-Unis (du Texas à
